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1、 能爬樓梯的輪椅的結構設計 檀小龍 210992350 福州大學至誠學院機械設計制造及其自動化 摘要：本篇論文針對殘疾人上樓困難而設計的一款上樓輪椅，文中首先對國內外各種爬樓輪椅結構進行分析，在對比總結各自優(yōu)缺點的基礎上設計出一款結構簡單，操作方便的上樓結構。 該結構采用星輪行星輪結構，在平地時，行星輪工作，上樓時，齒式離合器結合后整個行星齒系將變成一個剛性的整體而轉換為星輪結構模式，即各個齒輪均不能自轉而只能隨整個箱體一起翻轉，從而實現上樓功能。車身則采用滑軌式自動調平結構，該結構簡單，調節(jié)方便。 關鍵字：輪椅 星輪 滑軌式自動調平結構 履帶式 1.1 引言 目前市場

2、上的輪椅存在一個很大的不足：由于采用了傳統(tǒng)的輪式結構，只能夠在平地上行走，面對臺階、樓梯這樣比較復雜的地形卻顯得無能為力。很多場合尤其是室外比如銀行門前，購物中心門前等都或多或少有幾級臺階，而對于室內仍有很多地方沒有電梯，對于那些乘坐輪椅的殘疾人，他們仍然有很多不便。當然，國家也花費了大量的人力和財力在某些場所修建了相應的輪椅坡道和其它公用設施以方便殘疾人活動。但由于受各種因素的影響，這些措施起到的作用仍然非常有限。 解決這一問題的最好方法就是改進殘疾人使用的行走設備，也就是說通過改進殘疾人輪椅的機械結構，使其能夠適應日常生活中所碰到大多數的地形。對于殘疾人輪椅車的改進，已有不少人提出各種解

3、決方案：有的使用履帶式的輔助爬升設備幫助輪椅上下樓梯，有的采用步進式的結構一步一步往上踏，有的使用精密的陀螺儀控制兩輪結構的翻轉，立起來上下樓梯，但這些方案都有一些不盡如人意的地方，比如：結構復雜，造價高，使用不便，不能很好的適應平地行駛等，因而都未能得到較廣泛的應用。 正是基于此背景，一款結構簡單，操作方便，價格合適的上樓機器既能為殘疾人帶來方便，同時也具有巨大的市場容量。在畢業(yè)之際，于是選擇了殘疾人上樓為主題設計了星輪行星輪轉換式可爬樓梯輪椅：該結構采用星輪行星輪結構，在平地時，行星輪工作，上樓時，齒式離合器結合后整個行星齒系將變成一個剛性的整體而轉換為星輪結構模式，即各個齒輪均不能自轉

4、而只能隨整個箱體一起翻轉，從而實現上樓功能。車身則采用滑軌式自動調平結構，該結構簡單，調節(jié)方便,這也正是此設計的創(chuàng)新的地方。 1.2 上下樓梯輪椅發(fā)展歷史 上下樓梯機構／輪椅的研究已經有比較長的歷史，先后提出了各種各樣的機構，如果按照機構形式分類，可以分為行星輪式、履帶式、腿足式和平行四桿機 構式等。機器人作為一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。對不同任務和特殊環(huán)境的適應性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。非結構環(huán)境中的多功能全自主的移動機器人技術多年來一直是

5、機器人研究中的熱點問題之一．但是非結構環(huán)境給移動機器人的運動造成了自主決策和路徑規(guī)劃的困難． 越障機器人的研究．對擴展機器人的作業(yè)空間，在人不能到達或不便到達的環(huán)境中進行作業(yè)，具有重要的意義。越障機器人還可用于工業(yè)中的一些險難作業(yè)，不僅可提高產品的質量與產量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境．減輕勞動強度，提高勞動生產率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產成本，有著十分重要的意義。其中，移動機器人從事各項事務響應任務時，樓梯是人造環(huán)境中的最常見的障礙，也是最難跨越的障礙之一。。 國外對爬樓梯裝置的研究開始得相對較早，最早的專利是1892年美國的Bray發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后，各國紛紛開始投入此項研究

6、，其中美國、英國、德國和日本占主導地位，技術相對比較成熟，且有一些產品已經投入市場使用。我國對此類裝置的研究雖然起步較晚，但近年來也涌現了很多這方面的專利，然而投入實際使用的還很少。上下樓梯機構／輪椅的研究已經有比較長的歷史，先后提出了各種各樣的機 構，如果按照機構形式分類，可以分為行星輪式、履帶式、腿足式和平行四桿機構式等。 行星輪式的典型代表為美國強生公司下屬的獨立技術公司研制出的爬樓梯輪椅IBOT。IBOTR的輪椅開發(fā)歷時8年，耗資超過 1.5億，是迄今為止推出的最尖端的產品。它配有感知人一輪椅重心位置的陀螺儀和復雜的計算機系統(tǒng)，可以隨時調整重心位置以保證輪椅的平衡。IBOT結構緊湊，

7、運動靈活，操作簡便，可靠性、安全性等各方面指標都很高，它不僅可以爬21厘米以下高度的樓梯和不超過１５厘米高的“馬路牙子＂，也能夠在沙灘、斜坡和崎嶇的路面和小山坡上前進，而且能夠兩輪著地“站起來”直立行走，以使乘坐者可以升高到普通人的高度，也便于取放高處的物體。IBOT如此先進，價格也不菲12.9萬美元的高價可能使很多人望而卻步。 除此之外，國內外還發(fā)明了其它多種行星輪式爬樓梯機構。由于存在這樣或那樣的問題，盡管發(fā)明專利很多，真正推廣使用的卻很少。 履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運兵車或坦克，其原理簡單，技術也比較成熟。英國Baronmead公司開發(fā)的一種電動輪椅車，底部是履帶式的傳

8、動結構，可爬樓梯的最大坡度為35°，上下樓梯速度為每分鐘15--20個臺階。法國Topchair公司生產的電動爬樓梯輪椅，它的底部有四個車輪供正常情況下平地運行使用，當遇到樓梯等特殊地形時，用戶通過適當操作將兩側的橡膠履帶緩緩放下至地面，然后把這四個車輪收起，依靠履帶無需旁人輔助便能自動完成爬樓等功能。 履帶式結構傳動效率比較高，行走時重心波動很小，運動非常平穩(wěn)，且使用地形范圍較廣，在一些不規(guī)則的樓梯上也能使用。它除了具備爬樓梯功能外，也能作為普通的電動輪椅使用。但是這類裝置仍存在很多不足之處:重量大、運動不夠靈活、爬樓時在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對樓梯有一定的損壞；且平地使用所受阻力較大，

9、而且轉彎不方便，這些問題限制了其在日常生活中的推廣使用。 腿足式爬樓梯輪椅的主要特點是具有兩套支撐裝置，這兩套裝置交替支撐實現上下樓梯功能。由于這種爬樓梯方式類似于人類上下樓梯的過程，故也常稱之為步行式爬樓梯輪椅。早期的爬樓梯輪椅大多采用這種方式，例如1892年bray發(fā)明的第一臺爬樓梯輪椅就采用了這種方式。在爬樓梯時，先由其中一套支撐裝置支撐并抬高輪椅及另一套支撐系統(tǒng)，然后另一套支撐系統(tǒng)前移到臺階上；在臺 階上停穩(wěn)后，整個輪椅重心移到該支撐裝置上，先前那套支撐裝置則收回，如此循環(huán)，直到爬完整段樓梯為止。 腿足式爬樓梯機構的主要特點是：爬行速度較慢，對重心設計要求較高但如果加裝有傳感裝

10、置則對不同尺寸的樓梯具有較高的適應能力。 為了解決腿足式爬樓梯機構爬行速度較慢的缺點，有學者提出了平行四桿式爬樓梯機構，就是在普通輪椅的兩側各加設一套由平行四邊形機構組成的爬樓梯執(zhí)行機構，它用四條“腿”托送輪椅上臺階。平行四桿式爬樓梯機構結構簡單、價格低廉，但由于僅僅由四個點支撐整車，其平穩(wěn)度不高，安全性也不太好。 綜上所述，為了較好地解決老弱病殘人員外出活動問題，其關鍵是提出一種比較完善的上下樓梯方案，且整個輪椅尺寸合適、質量適中、安全性好、使用方便，最好能夠適應不同的階梯尺寸，其價格也能為普通老百姓接受。此外，應考慮爬樓梯過程往往只是整個外出活動過程中的很少一部分，必須兼顧平地行駛情況

11、。 可以看出，雖然經過多年的不懈努力，老弱病殘人員出行問題已經得到了可喜的改善，但距離完美解決尚有不小的路徑要走。 2.設計方案 2.1 上下樓梯機構的比較 一臺輪椅要實現上樓功能，其關鍵是如何選擇合適的運動機構。在目前的研究中，能實現該功能的機構主要有步進式，腳足式結構，履帶式，輪式機構,輔助式機構等，下面通過對這幾種機構的特點進行對比和分析，為選擇本次設計要打好基礎。 2.1.1步進式 受火車的曲柄連桿機構的啟發(fā)，經過思考，開始想到一種連桿機構，如圖1所示，通過驅動三個互成120度的曲柄帶動三個踏板交替與樓梯接觸前行。在平路的時候和普通的輪椅車是一樣的，靠輪子行走，在爬樓梯

12、的時候，驅動輪則切換成上述步進機構，較平穩(wěn)的沿著樓梯的棱邊往上爬，如同爬一個斜坡一樣。 圖1 經過分析發(fā)現步進式結構強度要求較高，而裝配精度難以保證，從而使得整體性能會受很大影響。另外，這種步進式結構上第一級樓梯會比較困難，平地行走時其連桿機構是一個累贅，甚至會影響其平地行走功能。 2.1.2 腳足式機構 從理論上來講，腳足式機構是最靈活的運動機構，地形適應能力強，可以解決大多數環(huán)境的行走問題，但是，其機械結構，控制復雜，效率低，要實穩(wěn)定的高速行走，還有諸多問題需解決。它的典型

13、代表是美國的CMU的Ambler移動機器人等，但仍在移動速度慢，控制復雜，承載能力不足等諸多缺點，普及比較困難。 2.1.3履帶式機構 履帶式機構的研究和應用相對來說是比較成熟的，在可以爬樓梯機器人等類似裝置中應用比較廣泛，履帶型機構的爬樓梯輪椅應用也較多。其主要特點是：越障能力強，且可以適應不同的樓梯；行走比較連續(xù)，在上下樓梯過程中重心波動小，運動相當平穩(wěn)；履帶支撐面上有履齒，不易打滑 ，牽引附著性能好。但相比于輪式結構，它存在機構體積大，笨重，能量效率低；對臺階損壞大；轉彎不方便，由于履帶與地面的接觸面積大而且摩擦系數較大，所以對地面及履帶磨損都比較嚴重。 2.1.4 輪式機構

14、 輪式機構輪椅廣泛地應用于國外的一些爬樓機器人，其體積小，結構簡單，控制方便，能夠實現平衡，快速移動，能量效率高，采用差動傳動時轉向半徑小，轉向靈活，在平地行走時有絕對的優(yōu)勢，但遇到臺階，樓梯等障礙物是就顯得力不從心。普通輪椅要想跨過臺階等障障物，其中一個必要條件是它的車輪半徑至少要大于臺階高度，而且跨越臺階時需要的能量很大，過程不穩(wěn)定，沖擊較大；而且樓梯寬度有限，如果一味的增加車輪半徑會導致輪椅在臺階上失去支撐點，這也是目前常規(guī)輪椅采用大的后車輪而無法實現爬樓功能的主要原因。 下面介紹幾種現有的典型上下樓梯輪椅，為進一步了解以上各種機構的使用情況，為本次設計的機構選型提供參考。 2.1

15、.5輔助式機構 輔助式機構主要是指通過給普通輪椅加裝輔助機構使其具有爬樓 功能。目前此方面的主要研究成果為在普通輪椅的兩側各加一套由平行四邊形機構組成的爬樓梯執(zhí)行機構，四腿與輪椅原有的四個輪形成兩套支撐系統(tǒng)，通過四邊形機構的運動，兩套支撐系統(tǒng)輪番著地，并將另一套支撐系統(tǒng)支撐托起送到上（或下）一個臺階。由于這種輪椅是以普通輪椅為基礎改造而成的，所以結構簡單，價格低，但是當這種輪椅用四條腿托起輪椅上臺階時，是四個點支撐整車，因為每個樓梯的尺寸是不同的，這四個點如果落在臺階邊沿上，是很危險的。 1. DEKA IBOT（如圖2） 圖2 DEKA IBOT共有三

16、種運運模式，一種是正常模式，像普通輪椅一樣在平地上前進；如果遇到崎嶇的路面，沙土或斜坡，它就進入四輪驅動狀態(tài)，靠四個輪子行走；第二個狀態(tài)是直立模式，只靠一地后輪接觸地面，就像中國武術里的“金雞獨立”；第三種是爬樓梯模式，兩對后輪交替爬到上一級臺階上。配備了一套計算機傳感器和陀螺儀，具備較強的自我平衡功能，使用智能手柄操作，最大爬坡能力30度，最大臺階高度21CM。一味的追求全自動化的傳統(tǒng)設計理念使得售價高達20萬RMB，高達的費使得它的推廣變得十分困難。 2 雙聯行星輪電動爬樓輪椅 此電動爬樓梯輪椅是內蒙古民族大學物理與機電學院的蘇和平教授與清華大學精密儀器與機械學系的王人成教授共同設

17、計的，它借鑒了IBOT的爬樓梯方式，采用了雙聯行星輪機構（如圖3）。行星輪式爬樓梯輪椅的爬樓梯機構由均勻分布在 “Ｙ”形或“＋’’字形系桿上的若干個小輪構成。各個小輪既可以繞各自的軸線 自轉，又可以隨著系桿一起繞中心軸公轉。在平地行走時，各小輪自轉，而在爬 樓梯時，各小輪一起公轉，從而實現爬樓梯的功能。 圖3 在平地行走時，各小輪自轉，而在爬 樓梯時，各小輪一起公轉，從而實現爬樓梯的功能。整體結構如圖所示，前面的小輪１是導向輪，其轉向原理與汽車的轉向 梯形相同,４個行走輪2，3尺寸相同，同側的兩個后輪軸是相聯的，左右兩側 也是相連的。４個

18、行走輪的連接示意圖和行星輪系工作原理見圖，其中一對行走輪中裝有電動輪轂，平地行走時，由這對電動輪轂驅動后輪自轉；爬樓梯時，后輪自轉停止并自鎖，所有后輪由中軸上的電動機驅動，隨中軸進行公轉，兩對輪交替進行翻爬樓梯。 該雙聯行星輪機構爬樓梯輪椅采用了效率高體積小的行星輪系作為爬樓梯 機構，能夠較為輕松地實現上下樓梯功能，并選用了電動自行車輪轂為行走提供動力，使得整個輪椅結構緊湊、重量輕，整個外形尺寸相當于普通的輪椅，并省去了ｉＢＯＴ復雜的陀螺重心平衡系統(tǒng)，明顯降低了制造成本。但該機構前后輪軸是相連的，左右兩側也是相連的，這樣將導致轉彎困難，運動靈活性降低。而且車輪直徑較大，不適合在普通居民住宅

19、樓梯上使用。這種爬樓梯輪椅也沒有得到實際生產和推廣使用。雙聯乃至三聯，四聯行星輪系在越障機器人上也有很廣泛的應用。 3 其它可以上下樓的輪椅 介紹兩種國外的產品，一種是英國的BARONMEAD公司正在國內經銷的助推式上下樓電動輪椅車，一種是德國PERFEKTA公司已經發(fā)布的橡校履帶式電動輪椅車。使用這種輪椅車時，一般由護理人員操縱更為安全。 BARONMEAD上下樓梯輪椅車，自重34KG，最大載重130KG，上下樓梯速度每分鐘15個臺階左右，充足電后可連續(xù)上下樓梯800級。臺階限高25CM。 這種輪椅車可在平地自由運行，可拆卸為兩部分，便于裝運。 PERFEKTA為履帶式傳動，采用12

20、V-15AH的蓄電池，12V/150W的直流電機，自重42KG，可爬坡樓梯的最大坡度32度。這種輪椅車除了可以單獨使用外，還可以作為普通的輪椅搬運工具，直接把輪椅放在上面上下樓梯，因此作為車站，機場等移動輪椅乘客的專用工具比較方便。而且，熟練操作可自行乘坐輪椅上下樓梯。 2.2 上樓輪椅及其主要結構的設計 通過對比各種機構及現有的上下樓梯輪椅，分析其各自的優(yōu)勢和不足，主要考慮控制的難易，使用的安全性，操作的方便性，最終選擇輪式結構，為了實現上下樓梯的功能，采用行星輪結構。 該方案是基于一種新結構——星輪行星輪轉換式結構，如圖4和圖5所示。其基本結構是具有三個行星齒輪的行星齒輪系，

21、在中心齒輪外依次均布三惰輪和三行星齒輪，中心齒輪和惰輪、惰輪和行星齒輪間均為外嚙合，左右兩半箱體相聯接作為轉臂，由此構成具有三個行星齒輪的行星齒輪系。在各行星齒輪軸系箱體外伸端分別固定一個車輪，箱體中心固定有齒式離合器固定端，齒式離合器活動端與中心軸通過花鍵滑動聯接，當齒式離合器活動端與固定端沒有嚙合時，整個結構便處于行星輪結構模式，此時驅動中心軸便會驅動三個車輪旋轉，便可以在平地上行走。當撥動齒式離合器活動端使其與齒式離合器固定端結合時，中心齒輪和箱體（轉臂）鎖死，從而各齒輪均不能自轉而只能隨整個箱體一起翻轉，整個行星齒輪系將變成一個剛性的整體而轉變?yōu)樾禽喗Y構模式，此時驅動中心軸便會驅動包括

22、行星輪系在內的整個箱體翻轉，此種結構模式可用于攀爬樓梯。 該方案的優(yōu)點在于，同一結構通過簡單轉換得到兩種驅動模式，分別適應爬樓和平地行走，各自適應性良好，并且結構緊湊，操作方便。 圖4 圖5 2.2.1 座椅調平結構 在上下時爬樓輪椅整體是傾斜的，坐在傾斜的輪椅上要使乘坐者感到不適，為了克服這一弊端和輪椅爬樓過程中重心的起伏，我們專門設計了一種滾道式的座椅調平機構（圖6）。其主要由圓弧形軌道及滾軸組成?；壓附釉诘准苌?，滾軸通過螺紋連接固定的座椅底部的支架上，其軸端安裝有軸承可以在滑軌里滑

23、動，從而實座椅的調平。 圖六 2.2.2 星輪行星輪轉換式結構離合器的選用 (1)牙嵌式離合器 牙嵌式離合器結構簡單，安裝方便，承載力較大，從功能上講基本上可以滿足使用要求。但是牙嵌式離合器牙數較少，滿足我們使用要求的矩形牙嵌離合器只有7個牙，離合器的活動端與固定端自然對正的幾率非常小，操縱時需要反復調整，很不方便。 (2)電磁離合器 電磁離合器在通電后依靠電磁力使

24、活動端與固定端結合，其操縱方便，只需按下開關接通電源。電磁離合器有多種型號，有摩擦式的、牙嵌式的，有干式的、濕式的。摩擦式的重量都很重，不符合我們的使用要求。根據使用條件，只有牙嵌式電磁離合器DLY0系列符合要求。 使用電磁離合器最大的優(yōu)點就是操縱方便，但是也有很多弊端，首先是重量問題，電磁離合器本身就有1.5kg重，還需要專門配備蓄電池，勢必增加整車的重量。其次是可靠性問題，電磁式的沒有機械式的可靠，爬樓時如果出現電磁離合器線圈突然燒壞或是蓄電池電量耗完的問題，將會發(fā)生危險。另外，蓄電池需要經常充電很不方便，電磁離合器安裝精度要求很高，尤其是活動端和固定端同軸度要求非常高，對加工和裝配都提

25、出了很高的要求。 (3)齒式離合器 齒式離合器與牙簽式離合器比較相似，不同的是齒式離合器的齒數可以根據情況自己設計，可以取較多齒數。齒式離合器承載能力很大，根據我們的使用要求，可以取較小的模數和較多的齒數，齒端面倒成尖角，這樣以來結合起來非常容易，操縱時不需要太多的調整。 綜合分析比較，最終選擇了齒式離合器，其結構緊湊，體積小，重量輕，操縱方便，安全可靠。（圖七） 圖七 3 工作原理及性能分析 3.1平地行走 平地行走時采用行星輪驅動模式，雙邊手搖驅動，利用差動來轉向。由于速度比較慢，人完全可以控制其速度，因而也不需

26、要剎車。 3.2翻越一級臺階等簡單障礙 如圖13，對于簡單障礙可以正著直接上去，導向輪可以將萬向輪懸起，如果障礙比較矮，可直接用行星輪狀態(tài)爬上去，如果障礙較高，可以撥動離合器轉換為星輪狀態(tài)，翻越障礙。 圖 1 翻閱簡單障礙 圖 2 上樓 3.3上樓 如圖14，將離合器結合，采用星輪驅動模式，正著上樓梯，導向輪與樓梯外沿相貼，使得前輪不會被樓梯擋死，而且不會有太大的波動。后驅動輪每轉120度上一個臺階，并且具有一定的節(jié)奏性，中途可停留，安全省力。對于一般的樓梯后面不需要人扶，精確的重心設計保證了其

27、不會后翻，對于特別的樓梯，為保證絕對的安全，可在后面增加一名輔助者防止后翻。 圖 3 下樓 3.3下樓 如圖15，下樓時采用行星輪驅動模式倒著下樓，由于下樓時震動較大，速度控制難度大，容易后翻，因而下樓時需要一輔助者在后面扶持以防止傾翻。 完成制作后，作品實物照片見圖16 圖 4 產品實物照片 5 創(chuàng)新點及應用. (1)星輪行星輪可轉換式結構，通過在傳統(tǒng)行星輪結構上增設一個離合器，使系統(tǒng)具有星輪和行星輪兩種驅動模式； (2)平地上使用行星輪驅動模式，爬樓時使用星輪驅動模式，適應性好； (3)導向輪與萬向輪的巧妙結合增強了萬向輪的越障能力； (4)同一傳動鏈上設有兩個

28、驅動點，滿足了平地行走和爬樓時不同的傳動比要求。 本產品可廣泛用于社區(qū)，養(yǎng)老院，醫(yī)院等場合，適用于腿腳不便的殘疾人或老年人。相對于現有的可爬樓輪椅，我們的產品適應性好、性價比高。在批量生產時成本可降至2000元左右，而據我們調查，武漢市唯一一個輔助爬樓裝置價格高達6萬元，而國外具有相似功能的IBOT3000輪椅更是高達3萬美元，相比之下我們的輪椅具有很好的市場前景。 參考文獻 [1]機械原理－基礎篇/楊家軍 主編 武漢：華中科技大學出版社，2005年3月 [2]機械設計－基礎篇/吳昌林 姜柳林 主編 武漢：華中科技大學出版社 2005年3月 [3]機械零件設計手冊（第三版）/東北大學 編 北京：冶金工業(yè)出版社 1994年4月 [4]楊家軍. 機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計. 華中科技大學出版社, 2000 [5]機械設計課程設計/唐增寶 何永然 劉安俊 主編 武漢：華中科技大學出版社 1999年3月 - 14 -